Голландским физикам удалось создать кремниевую поверхность, которая поглощает почти весь видимый свет (да еще и значительную часть инфракрасного спектра), который на нее падает (кратко об этом творении мы уже писали). Поверхности такого рода известны достаточно давно под общим названием «черный кремний» – в этом смысле созданный голландцами кремний, конечно, самый черный из всех.

Самый черный кремний

Впервые термин «черный кремний» возник в работе 1990 года, вышедшей в журнале Journal of Vacuum Science & Technology.

Изучая реактивное ионное травление кремниевой поверхности, исследователи обнаружили неожиданный факт – поверхность кремниевой подложки при травлении без какой либо маски (травление обычно используют при литографии, для получения на кремниевой поверхности нужного рисунка) заметно темнела. Изучив поверхность с помощью электронного микроскопа, ученые установили, что

дело в данном случае не в банальном «химическом» изменении цвета, а в изменении оптических свойств поверхности на микроуровне.

Причина этого изменения кроется вот в чем. Суть метода реактивного ионного травления состоит в том, что вещество подложки удаляется в результате направленной обработки ионами активных веществ (в работе использовались ионы брома и хлора). Метод хорош, среди прочего, тем, что позволяет выбирать направление, в котором происходит удаление атомов с подложки, однако, удаление материала происходит неравномерно. Из-за этого на подложке образуется довольно сложный рисунок из впадин и столбов, образуемых продуктами реакции кремния с ионами.

Рис. 1. Конусы на поверхности
кремния. Фото SIOnyx.

Почему конкретно образуется тот рельеф, который образуется – не очень понятно даже сейчас, спустя более чем два десятка лет после открытия. Физики говорят, что

тут дело в естественных флуктуациях самого ионного потока и структуре подложки, однако подходящей модели, которая могла бы предсказывать возникающие структуры, у них нет. Кроме этого, неясно, почему обработанный таким образом кремний начинает так хорошо поглощать падающий на него свет – предполагается, что дело в многократном отражении, преломлении и рассеивании света.

Позже ученым удалось экспериментальным путем получать довольно регулярные структуры, представляющие собой по сути «лес» из конусов. Также с 90-х годов прошлого века было открыто еще несколько способов получения черного кремния. Например, кремниевую поверхность можно облучать лазерными импульсами продолжительностью в несколько фемтосекунд (10–15 секунды), термической обработкой и ультрафиолетовой литографией. Первый даже был запатентован группой из Гарварда, которая организовала фирму SIOnyx, в 2011 году получившую на развитие своей технологии от министерства обороны США 3 миллиона долларов. В общем, сейчас термин «черный кремний» применяется к целому классу кремниевых поверхностей.

В чем дело?

Черный кремний интересует ученых по многим причинам. Остановимся на трех основных направлениях применения этого материала.

Во-первых, черный кремний может, в теории, заметно увеличить эффективность солнечных батарей. Дело в том, что отражение света кремниевой подложкой батареи – это, в первую очередь, потеря энергии. В свою очередь, снижая долю отраженного света, можно увеличить количество производимой такой батареей энергии. Сейчас в батареях для этого используются разного рода антибликовые покрытия, которые, однако, уступают черному кремнию.

Другой областью применения (в этом направлении работает SIOnyx) является создание более эффективных, по сравнению с существующими моделями, полупроводниковых датчиков электромагнитного излучения (причем, не обязательно в видимом диапазоне).

Развитие этой технологии в перспективе может позволить улучшить характеристики существующей техники без кардинальных изменений в процессе производства.

Рис. 2. Конусы крупным планом.
Масштаб 50 нанометров. Иллюстрация
Kalem et al.

Еще одно, совершенно неожиданное применение черному кремнию нашли немецкие физики в 2008 году. Сначала они приготовили пластинку кремния, покрытую коническими наноиглами высотой 2 микрометра (иглы были получены с помощью все того же реактивного ионного травления). Оказалось, что при облучении пластинки лазерным лучом с одной стороны, противоположная сторона излучает в терагерцовом диапазоне (так называемые T-лучи).

Дело в том, что Т-лучи легко проникают сквозь бумагу, одежду, картон, пластмассу и многие другие материалы. Они могут применяться для обнаружения скрытого оружия или взрывчатки, диагностирования опухолей, поиска дефектов и трещин в материалах. Главным препятствием, однако, к их повсеместному внедрению является отсутствие соответствующих излучателей. Например, первый источник когерентного терагерцевого излучения (допуская вольность языка, такие источники называют Т-лазерами), работающий при комнатной температуре, был создан в 2008 году.

Самый черный лес

Новая работа голландских физиков по черному кремнию является логическим продолжением их предыдущих открытий. В 2011 году они установили, что металлические цилиндры нанометровых масштабов на кремниевой поверхности могут довольно хорошо поглощать свет. Эффект был связан с плазмонами – квазичастицами, представляющими собой квант колебания электронного газа, в частности, в металле.

В рамках новой работы ученые создали черный кремний, который представляет собой кремниевую поверхность, но уже с регулярно расставленными по ней кремниевыми цилиндрами. Для получения этой поверхности использовалось уже упоминавшееся реактивное ионное травление. Размеры цилиндров составляли 250 нанометров на 150 нанометров.

Нанолес был залит слоем нитрида кремния Si₃N₄ толщиной в 60 нанометров.

Как оказалось, полученный таким образом материал отражает менее 2 процентов падающего на него света в видимом диапазоне (небольшой пик отражаемости наблюдался для длин волн 650 нанометров) при угле падения не меньше 60 градусов. По словам ученых,

они провели сравнение полученного ими черного кремния с лучшими образцами антибликовых покрытий – в лучшем случае последние снижали долю отраженного света до 10 процентов.

Высокая эффективность поглощения объясняется тем, что часть излучения по цилиндрам «утекала» в подложку. На это указывает компьютерная модель черного кремния, в основу которой положена модифицированная теория рассеивания Ми (оригинальный вариант – это рассеивание плоской электромагнитной волны на однородной сфере). Примечательно, что ученые пробовали брать вместо цилиндров шары, однако, как оказалось, такая батарея работает заметно хуже.

Сами ученые надеются, что созданная ими технология позволит применять черный кремний на практике уже в самом ближайшем будущем. Впрочем, можно ли их метод использовать в промышленных масштабах, пока неизвестно.